徐卜壘　夏振　陳飛　樊榮華

1蘭州寰球工程公司　2中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司　3青海油田采油二廠

含液對(duì)氣體節(jié)流溫降計(jì)算的影響

徐卜壘1夏振2陳飛3樊榮華3

1蘭州寰球工程公司2中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司3青海油田采油二廠

氣田采出氣含有一定量的水，集輸工藝為高壓集氣、站內(nèi)多井加熱節(jié)流，通過節(jié)流的方式達(dá)到氣液分離的效果。節(jié)流后的溫度可根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)定義的方法進(jìn)行計(jì)算，但其只適用于純氣體，含液量較小時(shí)對(duì)其影響并不大，隨著含液量的增多誤差會(huì)越來越大。根據(jù)節(jié)流效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算公式，考慮過程的可變性，用積分的方法求解節(jié)流后的溫度，最后通過編寫C語言程序計(jì)算和查圖法兩種不同的方法對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)算，檢驗(yàn)當(dāng)含液量超過多少時(shí)此方法不再適用。

天然氣；節(jié)流溫降；焦耳-湯姆遜效應(yīng)；含液量

氣田采出氣集輸工藝可利用開發(fā)前期的高壓力能，通過節(jié)流降溫，回收凝析油和脫水，滿足外輸天然氣烴露點(diǎn)、水露點(diǎn)的要求，這樣投資少、能耗低、流程簡單。根據(jù)焦耳-湯姆遜效應(yīng)的定義可以計(jì)算純氣體的節(jié)流溫降，方法簡單、可操作性強(qiáng)、結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，適用于工程上的簡易計(jì)算。

當(dāng)前一些文獻(xiàn)對(duì)焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)[1]進(jìn)行了計(jì)算，但沒有涉及含液量對(duì)節(jié)流溫降產(chǎn)生影響程度的相關(guān)計(jì)算，就焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)的計(jì)算而言，文獻(xiàn)[2]給出了甲烷在某些溫度壓力條件下的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)的部分實(shí)測數(shù)據(jù)，由于組分的不同以及實(shí)測數(shù)據(jù)的不連續(xù)性，難以適應(yīng)工程的需要；文獻(xiàn)[3]的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)是通過查圖法確定或取為定值；文獻(xiàn)[4]給出了用立方型狀態(tài)方程計(jì)算焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)的方法；文獻(xiàn)[5]給出了LKP狀態(tài)方程計(jì)算焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)的方法；文獻(xiàn)[6]用擴(kuò)展的維里型狀態(tài)方程以數(shù)值計(jì)算的方法研究了天然氣的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，文獻(xiàn)[7]用實(shí)驗(yàn)的方法研究了二氧化碳的焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)，以上方法中后幾種過于復(fù)雜，有的受氣體組分和溫度壓力范圍以及實(shí)用性的限制，不適用于工程上的簡單計(jì)算。

1　節(jié)流效應(yīng)簡介

氣體在流道中經(jīng)過突然縮小的斷面（如管道上的針形閥、孔板等），產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，使壓力下降，這種現(xiàn)象稱為節(jié)流。氣體通過縮孔時(shí)流速很高與外界熱交換一般很小（可忽略），節(jié)流過程視為絕熱過程[8]。在工程中絕熱節(jié)流過程得到廣泛應(yīng)用，各種閥門和調(diào)壓器就是利用節(jié)流過程來調(diào)節(jié)壓力和控制流量的。氣體節(jié)流過程如圖1所示，在縮孔附近流速增加，由熱力學(xué)第一定律可知焓會(huì)下降，氣流在通過縮孔時(shí)動(dòng)能增加，由伯努利方程可知壓力下降，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩阻損失，摩擦產(chǎn)生的熱能又被流體所吸收。但由于擾動(dòng)和摩擦的不可逆性，氣體節(jié)流后的狀態(tài)不能恢復(fù)到節(jié)流前的狀態(tài)，因此絕熱節(jié)流是不可逆的過程，在節(jié)流過程中流體處于非平衡狀態(tài)，沒有確定的狀態(tài)參數(shù)。但是可以研究節(jié)流前后流體處于平衡狀態(tài)的情況，如距離節(jié)流足夠遠(yuǎn)的兩個(gè)截面1、2處，氣體已為平衡狀態(tài)，對(duì)于水平管氣體位能不變，節(jié)流以后，流速增大，但總的來講，動(dòng)能變化不大可忽略，根據(jù)能量守恒可得節(jié)流前后（1、2處）氣體的焓相等，即h1=h2。

圖1　氣體節(jié)流過程

對(duì)于理想氣體焓是溫度的單值函數(shù)，但對(duì)真實(shí)氣體還與壓力有關(guān)，所以對(duì)真實(shí)氣體而言，節(jié)流以后壓力下降，通常也會(huì)造成溫度下降，這稱為節(jié)流正效應(yīng)；當(dāng)氣體節(jié)流前溫度T1超過最大轉(zhuǎn)變溫度（約為臨界溫度的4.85～6.2倍）時(shí)，節(jié)流后壓力下降，會(huì)造成溫度上升，這稱為節(jié)流負(fù)效應(yīng)。

節(jié)流效應(yīng)又稱為焦耳-湯姆遜效應(yīng)。定義溫度下降的數(shù)值與壓力下降的數(shù)值之比稱為節(jié)流效應(yīng)系數(shù)[9]，它表示在焓不變的條件下氣體的溫度隨壓力的變化率。根據(jù)熱力學(xué)知識(shí)和麥克斯韋關(guān)系式可導(dǎo)出

式（1）中 Di為焦耳-湯姆遜系數(shù)（K/kPa）；Cp為摩爾定壓熱容 ［kJ/(kmol·K)］； p為壓力（kPa）；T為溫度（K）； ρ為密度（kmol/m3）；其中Cp、 ρ均為未知參數(shù)，通過積分可得

應(yīng)用于計(jì)算焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)的狀態(tài)方程有RK方程、SRK方程、PR方程、PT方程、BWR方程、BWRS方程，其中BWRS狀態(tài)方程是目前認(rèn)為用于描述天然氣PTV性質(zhì)的最精確的方程[2]，適用性廣泛，計(jì)算精度高，因此本文選用BWRS方程建立溫降計(jì)算模型。

2　定壓熱容的計(jì)算

在高壓下真實(shí)氣體的定容比熱和定壓比熱與理想氣體的值差別很大[10]，文獻(xiàn)[2]給出了高壓下的定容比熱的詳細(xì)計(jì)算方法；文獻(xiàn)[11]給出了理想氣體狀態(tài)下物質(zhì)的熱容與溫度的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式，將熱容定義為溫度的單一函數(shù)；文獻(xiàn)[12]通過對(duì)天然氣實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到的定壓比熱經(jīng)驗(yàn)公式，為了增強(qiáng)其對(duì)現(xiàn)場應(yīng)用中的適應(yīng)性，通過對(duì)現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)與公式計(jì)算結(jié)果偏差原因的分析，對(duì)其公式中的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)公式中的定壓比熱定義為溫度、壓力、混合氣體摩爾質(zhì)量的函數(shù)；對(duì)于不同組分氣體可直接利用實(shí)用熱物理性質(zhì)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)，或者對(duì)其中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得出計(jì)算式，例如甲烷，通過回歸分析得到比熱計(jì)算式[4,13]。

前兩種方法均是先將實(shí)際氣體理想化，然后在按實(shí)際氣體進(jìn)行修正，而且它的使用條件是高壓條件，顯然對(duì)于實(shí)際氣體而言，在低壓高溫條件才接近理想氣體，在修正時(shí)又與高壓條件不符，從而使實(shí)際情況受到限制，通過實(shí)際的驗(yàn)證顯示只有在高溫低壓條件下計(jì)算結(jié)果比較準(zhǔn)確，而在其他情況下誤差比較大；第四種方法在使用時(shí)需要先查閱相關(guān)手冊(cè)選取數(shù)據(jù)（純組分）或者對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，這樣不便于程序運(yùn)算，同時(shí)適用于純組分；故文中在計(jì)算Cp時(shí)采用的是第三種方法。

3　實(shí)例計(jì)算

3.1程序計(jì)算法

根據(jù)氣體含液量由少到多的情況對(duì)10#站含液天然氣節(jié)流溫降進(jìn)行分析，含液量為月累計(jì)產(chǎn)液量（m3）與產(chǎn)氣量（m3）的比值。結(jié)果見表1。

表1　10#站不同井不同含液量的對(duì)比結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果與測量結(jié)果對(duì)比情況可以看出，當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到3.77×10-5時(shí)平均溫度偏差0.2℃/MPa，當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到4.02×10-5時(shí)，平均溫度偏差2.4℃/MPa，偏差已經(jīng)很大，此方法不再適用。

3.2查圖法

根據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，該曲線是根據(jù)含液體積分?jǐn)?shù)在11.3×10-6(GPA標(biāo)準(zhǔn))條件下得出來的，以11.3×10-6為標(biāo)準(zhǔn)，每增減5.6×10-6，應(yīng)有相應(yīng)的±2.8℃的溫度修正值，含液體積分?jǐn)?shù)最高達(dá)28.3×10-6，高于此值曲線不再適用。對(duì)于不在曲線上的點(diǎn)采取內(nèi)插法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.41×10-5時(shí)，偏差開始增大，當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)達(dá)到1.73×10-5時(shí)，溫度平均偏差為3.2℃，查圖法不宜使用。

3.3結(jié)果分析

（1）程序計(jì)算法。當(dāng)含液量比較少的時(shí)候，在節(jié)流過程中對(duì)其閥后溫度的影響不大，產(chǎn)生的偏差一方面由于現(xiàn)場測量的組分當(dāng)中含有少量的空氣、氦氣、氬氣、氫氣，而BWRS方程沒有對(duì)其他數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的kij數(shù)據(jù)，所以在計(jì)算過程沒有考慮，使得計(jì)算會(huì)有一定的偏差。從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)高于4.02×10-5時(shí)，所有的偏差均為負(fù)，隨著含液量的增多，液體對(duì)閥后溫度的影響越來越大，原因在于液體在節(jié)流過程中由于摩擦溫度會(huì)略有上升，而氣體經(jīng)過節(jié)流以后會(huì)產(chǎn)生溫降，節(jié)流后的氣體溫度與水的溫度不同，必然會(huì)產(chǎn)生熱交換，從而使得整個(gè)體系的溫度要比純氣體節(jié)流后的溫度偏高，而計(jì)算過程中并未考慮水的影響，直接按純氣體的情況進(jìn)行考慮，所以使得計(jì)算結(jié)果要比實(shí)際結(jié)果偏低。由含液體積分?jǐn)?shù)為3.77×10-5、4.02×10-5計(jì)算結(jié)果可看出，兩者節(jié)流壓降不同，前者大，后者小，節(jié)流后的氣體在與液體進(jìn)行換熱時(shí)，液體對(duì)氣體溫度的提升作用，壓降小的要比壓降大的明顯。

表2　查圖計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)對(duì)比情況

（2）查圖法。曲線圖并未給出具體的組分信息，計(jì)算不同組分的天然氣溫降時(shí)必然會(huì)引入誤差，查表過程也會(huì)人為的引入一定的讀數(shù)誤差，此外，曲線圖上不同的壓降曲線并非均勻分布，而采用內(nèi)插法則是按均勻分布的方式計(jì)算的，由此也會(huì)引入一定的誤差。當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)高于1.41×10-5時(shí)，偏差開始增大，誤差增大的原因在于曲線圖所描述的體系不同于現(xiàn)場的體系，查圖后的溫度修正不能彌補(bǔ)液體對(duì)氣體的溫升作用。

4　結(jié)論

通過焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)定義的方法和查圖的方法計(jì)算不同含液量的氣體經(jīng)過節(jié)流后的溫度與現(xiàn)場測量的實(shí)際溫度對(duì)比可得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)低于1.41×10-5時(shí)，兩種方法計(jì)算的溫度偏差基本在1℃左右，均可用于計(jì)算閥后的溫度。

（2）當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)介于1.41×10-5～3.77×10-5之間時(shí)，查圖法計(jì)算結(jié)果偏差較大，宜采用焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)定義的方法計(jì)算閥后的溫度。

（3）當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)超過3.77×10-5時(shí)，利用焦耳-湯姆遜效應(yīng)系數(shù)定義的方法計(jì)算的溫度偏差有所增大，而當(dāng)含液體積分?jǐn)?shù)超過4.02×10-5時(shí)，平均溫度偏差3.2℃，該方法不再適用。原因在于含液量的上升使得節(jié)流后氣體與其的熱交換加強(qiáng)，溫升變大，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏差較大。

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（欄目主持李艷秋）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.12.005

徐卜壘：工程師，碩士研究生，主要從事油氣田地面工程設(shè)計(jì)工作。

2015-04-02